L'objectif de cette thèse était la modélisation et la démonstration expérimentale des fonctionnalités de lecture et écriture d'une nouvelle structure de mémoire magnétoresistive à accès aléatoire thermiquement assistée, la MRAM autoréférencée. L'empilement magnétique de la MRAM autoréférencée s'obtient à partir de celui de la MRAM thermiquement assistée en retirant la couche antiferromagnétique de référence, remplaçant de ce fait la couche de référence piégée par une couche libre la couche de lecture. En commutant indirectement l'aimantation de la couche de lecture par le biais d'un champ externe, la direction d'aimantation de la couche de stockage piégée, et ainsi le niveau logique stocké, peut être mesuré in-situ. Grace à la possibilité de programmer individuellement les deux couches magnétiques, la MRAM autoréférencée peut être considérée comme une unité logique magnétique, combinant la fonctionnalité mémoire avec la logique comparative dans un même dispositif, ce qui ouvre de nouveau champs d'applications. La fonctionnalité des modes de lecture et d'écriture de la MRAM autoréférencée ont été démontrées expérimentalement sur un premier jeu d'échantillons. Cependant, les champs requis se sont avérés être incompatible avec une application dans un produit industriel fonctionnel. Dans le but d'optimiser les champs requis pour l'écriture et la lecture, un modèle macrospin, inspiré du modèle de Stoner-Wohlfarth de retournement de l'aimantation, a été développé. En introduisant les phénomènes de couplages magnétostatiques, RKKY et d'échange entre matériaux ferromagnetiques et antiferromagnétiques, une forme générale de l'énergie applicable à n'importe quel empilement magnétique MRAM a été obtenue. Un mode d'écriture à basse amplitude de champ, basé sur le couplage magnétostatique entre les couches de lecture et de stockage, a été prédit par le modèle puis démontré expérimentalement sur un nouveau lot d'échantillons. Un excellent accord a été obtenu entre le modèle et les mesures expérimentales. Afin d'étudier la reproductibilité de l'écriture, l'influence de l'activation thermique a été introduite par le calcul des barrières d'énergies reliées aux transitions magnétiques effectuées lors de l'écriture, puis comparée aux mesures expérimentales de la probabilité d'écriture d'un nouveau lot d'échantillons. Une fois encore, un excellent accord a été obtenu entre le modèle et l'expérience. A l'aide du modèle développé et validé, une roadmap définissant les empilements magnétiques permettant de conserver des champs de fonctionnement faible pour des points mémoires jusqu'à 45 nm a été établie. En raison de limitations technologiques fondamentales dans les MRAM commutées par champ, il est apparu indispensable d'augmenter la capacité de stockage individuelle de chaque point mémoire pour atteindre de plus grande densité de stockage. Une nouvelle méthode de stockage angulaire exploitant la mobilité de l'aimantation de la couche de lecture a été explorée. A l'aide du modèle développé précédemment des échantillons adéquat ont été produits et ont permis de démontrer expérimentalement une capacité de stockage allant jusqu'à 4 bits par point mémoire individuel. Cependant, les champs de fonctionnement requis se sont avérés être bien supérieurs à ce qui est compatible avec une application industrielle. A l'aide du modèle, une nouvelle méthode d'écriture a été proposée et a permis d'établir une seconde roadmap vers le nœud technologique de 45 nm. Des structures miroirs à double barrières ont ensuite été étudiées, avec une démonstration expérimentale de faisabilité de leur fabrication, ainsi que de leurs fonctionnalités. Plus particulièrement, un mode d'écriture à faible champ, similaire à celui observé dans les MRAM autoréférencées à simple barrière, a été obtenu. Enfin, l'adaptation du stockage angulaire à ces structures miroirs a été modélisée, aboutissant à la proposition d'une méthode permettant de stocker jusqu'à 8 bits par point mémoire. / The goal of this thesis was to model and demonstrate experimentally the read and write functionalities of a new thermally assisted magnetic random access memory structure, the self-referenced MRAM. The self-referenced MRAM stack is obtained from the thermally assisted MRAM one by removing the reference antiferromagnetic, effectively replacing the pinned reference layer by a free layer: the sense layer. By remotely switching the sense layer magnetization, by means of an external field, the storage layer magnetization direction, and as such the stored bit state, can be probed in-situ. Due the possibility to program both magnetic layers individually, self-referenced MRAM can be operated as a Magnetic Logic Unit, combining in-stack the storage and exclusive-or logic functions and thereby opening new application ranges. The read and write functionality of self-referenced MRAM were experimentally demonstrated on a first batch of samples. However, the field requirements were found to be higher than the target requirements for fully functional industrial products. In order to optimize the read and write field requirements, we developed a macrospin model based on the Stoner-Wohlfarth model of magnetization reversal. By introducing magnetostatic, RKKY and ferromagnet/antiferromagnet exchange coupling phenomena, we calculated a general form of the energy for any type of MRAM magnetic stack. A previously proposed highly efficient switching mode, relying on the magnetostatic interactions between the sense and the storage layer, was effectively predicted by the model and experimentally demonstrated in new samples. An excellent agreement was obtained between the model and the experimental results. Increasing the stiffness of the storage layer was found to be critical in order to minimize the read field requirements at decreasing patterning dimensions. Material developments were performed to maximize the RKKY coupling in the synthetic ferrimagnet storage layer. In order to study the reproducibility of the write operation, the influence of thermal activation was modelled by calculating energy barriers and transition paths and compared with on-the-fly measurements of switching probabilities on the new set of samples with a stiffer storage layer. Again, an excellent agreement was obtained between the model and the experiments. Based on the model developed, we built a roadmap describing the magnetic stack to use, that allows a downscaling of the self-referenced MRAM down to 45 nm while conserving manageable field requirements. Due to fundamental limitations in field-induced switching MRAM technology, reaching higher densities was found to require increasing the individual storage capacity of each MTJ, i.e. storing multiple bits per unit cell. A new angle-based storage method taking advantage of the sense layer free magnetization was investigated. Using the magnetic model developed previously, suitable samples were designed and allowed to experimentally demonstrate up to 4 bits per single MTJ. The field requirements were however found to be substantially higher than those compatible with a fully functional product. A new write method, predicted by the model, was investigated and exploited in the building of a second roadmap down to 45 nm. Mirrored dual barrier structures were then studied, with the experimental demonstration of their manufacturability and functionality. Notably, a highly efficient write mechanism similar to that observed in single barrier self-referenced MRAM was obtained. Finally, the adaptation of angle-based storage to these dual barrier devices was modeled, leading to the proposition of a method to store up to 8 bits per single cell.

Cette thèse présente les différentes sources de champ magnétique dans un véhicule automobile à moteur thermique. Le but de ce travail est d'exploiter la mesure du champ magnétique dans une automobile afin d'extraire des données utiles pour caractériser le fonctionnement ou le dysfonctionnement des éléments du véhicule. Les expérimentations que nous avons conduites nous ont permis de mesurer, identifier, caractériser et modéliser les différentes sources de champ magnétique en automobile. Les circuits électriques, l'alternateur électrique, mais également le déplacement des pièces ferromagnétiques engendrent des champs d'induction. Toutes ces sources se mélangent sur le réseau de capteurs magnétiques installé dans le véhicule. Nous avons mis en œuvre des algorithmes de séparation de sources et de soustraction de bruit permettant de récupérer les signaux utiles pour la surveillance. L'analyse vibratoire déjà utilisée pour le diagnostic des automobiles permet d'étudier les accélérations et chocs des éléments à surveiller. L'analyse magnétique que nous présentons ici permet d'étudier d'autres caractéristiques comme le déplacement de ces pièces ou les courants électriques présents dans le système. Nous montrons que les mesures magnétiques, sont un nouvel outil de diagnostic qui peut être utilisé pour le contrôle automobile, en complément de l'analyse vibratoire. Diverses applications industrielles potentielles utilisant des capteurs à bas coût, sur le contrôle des roues, du moteur et des feux électriques sont développées. Enfin, nous ouvrons une réflexion sur la généralisation de ces résultats aux véhicules électriques en présentant les problématiques et les besoins spécifiques en particulier dans l'étude du comportement magnétique des accumulateurs électriques utilisés pour stocker l'énergie. / In this thesis the various sources of magnetic field in an automobile with heat engine are presented. The aim of this work is to make use of the measures on the magnetic field in an automobile in order to extract useful information for monitoring or diagnosis of the vehicle. The experiments we made led us to measure, to identify, to characterize and to model the various sources of magnetic field in an automobile. The electric circuits, the electric generator, and also the displacements of ferromagnetic pieces can create magnetic field. All those sources are mixed on the sensor network. We have developed source separation algorithms and noise removing techniques, in order to get useful signals. Vibration analysis has already been used for diagnosis in automobile and allows to study the accelerations and shocks of the elements to monitor. The magnetic analysis allows to study other parameters such as pieces displacements or the electric currents in the system. We show that magnetic analysis is a new diagnosis tool that could be used as additional information. Several concrete potential applications on wheel and engine monitoring, and electric bulb diagnosis are presented. Finally, we give an angle of reflection about generalizing those results to electric vehicles by presenting the specific problems and needs for those vehicles. In particular, the study of the magnetic behavior of the electric Lithium batteries is presented.

Dans les biotechnologies, les particules magnétiques sont de plus en plus utilisées dans diverses applications, de thérapies ou de diagnostics : « Drug delivery », traitements de cancers, IRM, etc. Inscrit dans le démarrage d'un nouvel axe de recherche du laboratoire SPINTEC, le travail de thèse a mis en œuvre des particules élaborées par une approche de type «top-down». Les matériaux utilisés sont antiferromagnétiques synthétiques (SAF). L'intérêt des nanoparticules magnétiques dans les domaines biomédicaux a été présenté en introduction. L'étude réalisée à SPINTEC a tout d'abord consisté à caractériser et modéliser différents matériaux SAF, et développer les procédés technologiques permettant la fabrication des particules. Ensuite le travail a été consacré à l'observation et la modélisation du comportement des particules en suspension dans un champ magnétique appliqué. Un modèle des phénomènes d'autopolarisation et d'agglomération des particules SAF a permis de déterminer une susceptibilité seuil en dessous de laquelle les particules restent dispersées en solution, évitant les phénomènes d'agglomération. / In the biotechnologies, the magnetic particles are more and more used in different applications, therapy or diagnostics such as: drug-delivery, cancer treatments, MRI …This thesis, which marks the beginnings of a new research area at SPINTEC laboratory, implemented particles made by an approach top-down. The used materials are synthetic antiferromagnetic (SAF). The interest for the magnetic nanoparticles was shown in the introduction. The study made at SPINTEC was first of all the characterization and modeling of different SAF materials, and the development of the technological processes for making the particles. Then the work was devoted to observation and modeling of the behavior of the particles in suspension in the applied magnetic field. A model of self-bias and agglomeration of SAF particles allowed to determine a susceptibility threshold below which the particles remain dispersed in solution, avoiding the agglomeration phenomena.

Le contrôle de l’aimantation sans application de champ magnétique externe est un domaine de recherche en plein essor, étant prometteur pour les applications technologiques d’enregistrement magnétique et de spintronique. En 2007, Stanciu et al. ont découvert la possibilité de retourner l’aimantation dans un film fait d’alliage ferrimagnétique de GdFeCo en utilisant des impulsions laser femtoseconde. Longtemps cantonné aux alliages de GdFeCo, ce retournement tout-optique s’avère un phénomène plus général, puisqu’il a été mesuré plus récemment dans une large variété de matériaux ferrimagnétiques et ferromagnétiques. Cette découverte a ainsi ouvert la voie à l’intégration de l’écriture tout-optique dans l’industrie des mémoires magnétiques. Néanmoins, l’ensemble des modèles théoriques expliquant le retournement tout-optique dans le GdFeCo ne semblent pas s’appliquer aux autres matériaux magnétiques, mettant ainsi en question l’unicité de l’origine microscopique de ce phénomène. Au cours de cette thèse, nous avons étudié la réponse aux impulsions laser femtoseconde des alliages ferrimagnétiques et des multicouches ferromagnétiques, dans l'objectif d'élucider divers aspects du mécanisme du retournement optique. Nous avons élucidé expérimentalement les paramètres magnétiques gouvernant le retournement tout-optique. Nous avons montré que l’observation du retournement tout-optique nécessite des domaines magnétiques plus grands que la taille du faisceau laser pendant le processus de refroidissement, un critère qui est commun à la fois aux matériaux ferrimagnétiques et ferromagnétiques. En outre, nous nous sommes intéressés à l’intégration du retournement tout-optique dans des dispositifs de spintronique. Grâce à une caractérisation temporelle de l’aimantation dans des croix de Hall via l’effet Hall extraordinaire, nous avons distingué entre deux types de mécanismes du retournement optique. Le premier type est un retournement purement thermique obtenu avec une impulsion unique dans les alliages ferrimagnétiques de GdFeCo, tandis que le deuxième type est un retournement cumulative et à deux régimes dans les alliages ferrimagnétiques de TbCo et les multicouches ferromagnétiques de Co/Pt. Ce dernier consiste en une formation indépendante de l’hélicité de multidomaines magnétiques suivie d'une ré-aimantation dépendante de l'hélicité sur plusieurs dizaines de millisecondes. / The control of magnetization without external magnetic fields is an emergent field of research due to the prospect of impacting many technological applications such as magnetic recording and spintronics. In 2007, Stanciu et al. discovered an intriguing new possibility to switch magnetization in a ferrimagnetic GdFeCo alloy film using femtosecond laser pulses. This all-optical switching of magnetization had long been restricted to GdFeCo alloys, though it turned out to be a more general phenomenon for a variety of ferromagnetic and ferromagnetic materials. This discovery paved the way for an integration of the all-optical writing in storage industries. Nevertheless, the theoretical models explaining the switching in GdFeCo alloys films do not appear to apply in the other materials, thus questioning the uniqueness of the microscopic origin of all-optical switching. In this thesis, we have investigated the response of femtosecond laser pulses in ferrimagnetic alloys and ferromagnetic multilayers to the action of femtosecond laser pulses, in order to elucidate several aspects of the all-optical switching mechanism. We have experimentally studied the magnetic parameters governing the all-optical switching. We showed that the observation of all-optical switching requires magnetic domains larger than the laser spot size during the cooling process; such a criterion is common for both ferrimagnets and ferromagnets. Furthermore, we have investigated the integration of all-optical switching in spintronic devices via the anomalous Hall effect. Through a time-dependent electrical investigation of the magnetization in Hall crosses, we distinguished between two types of all-optical switching mechanisms. The first type is the single-pulse helicity-independent switching in ferrimagnetic GdFeCo alloy films as shown in previous studies, whereas the second is a two regimes helicity-dependent switching in both ferrimagnetic TbCo alloys and ferromagnetic Co/Pt multilayers. The latter consists in a step-like helicity-independent multiple-domain formation followed by a helicity-dependent remagnetization on several tens of milliseconds.

Les techniques de diagnostic actuellement utilisées en endoscopie digestive ne permettentpas une observation complète et précise de l’intestin grêle. Les capsules endoscopiquestentent de répondre à cette problématique, mais le médecin n’a aucune maîtrise de leurdéplacement une fois qu’elles sont avalées par les patients. Dans ce contexte, les travauxdéveloppés dans cette thèse portent sur l’utilisation des champs magnétiques afin demanipuler un objet (comme une capsule) sans contact sur un large espace de travail. Pourcela, nous étudions les systèmes de manipulation magnétique à électroaimants mobiles.Nous étudions dans un premier temps la manière de modéliser le champ magnétiquecréé par un électroaimant. Nous développons un modèle hybride (analytique recalé surdes mesures) prenant en compte le noyau ferromagnétique des électroaimants. Dans unsecond temps, nous nous intéressons à un système générique de manipulation magnétique,composé de n électroaimants pouvant se déplacer dans tout l’espace. Nous développons unmodèle de ce système, en intégrant les mobilités de chacun des électroaimants. Ce modèleest ensuite linéarisé, ce qui nous permet d’introduire une commande linéarisante. Cettecommande permet une gestion indépendante du déplacement de chacun des électroaimants,ainsi que du courant qui les traverse. Enfin, les développement théoriques sont testés ensimulation et sur un dispositif expérimental. / Diagnostic techniques currently used in gastrointestinal endoscopy do not allow a completeand accurate observation of the small bowel. Endoscopic capsules were designed to solvethis problem, but the doctor cannot control their movement once they are swallowed bypatients. In that context, the work developed in this thesis focuses on the use of magneticfields to manipulate an object (such as a capsule) without contact, on a large workspace.For this, we study magnetic systems with mobile electromagnets. We study first how tomodel the magnetic field created by an electromagnet. We develop an analytical modeltaking into account the ferromagnetic core of electromagnets. Then, we study a genericsystem composed of n electromagnets which can move throughout space. We develop amodel of the system, integrating the mobility of each of the electromagnets. This modelis then linearized, allowing us to introduce a linearizing control. This command allowsindependent management of the movement of each of the electromagnets, and the currentflowing in it. Finally, the model and the command are tested in simulation and on anexperimental device.Keywords: Magnetism,

Les trois dernières guerres ont laissé dans le sous-sol français des millions de tonnes de munitions non explosées (en anglais, unexploded ordnance ou UXO) qui constituent un risque pour l'homme et l'environnement. La géophysique et particulièrement les méthodes magnétiques offrent des solutions pour localiser et caractériser ces objets qui sont le plus souvent aimantés. Mon travail de thèse consiste d'abord à réaliser une synthèse bibliographique des méthodes de recherche d'UXO en détaillant en particulier la méthode magnétique. Le dispositif de cartographie magnétique multi-capteur conçu par I'EOST et utilisé pour la recherche d'UXO subit un certain nombre de défauts. Ainsi (i) la fabrication d'un nouveau numériseur, (ii) l'acquisition d'un nouveau système de géolocalisation plus complet et (iii) l'utilisation d'un capteur supplémentaire afin de corriger les variations temporelles du champ permettent d'améliorer la qualité de nos cartographies. De même la mesure à différentes altitudes nous permet de gérer au mieux le temps imparti et le niveau de détail que l'on souhaite obtenir. Selon l'approximation habituellement employée en méthodes potentielles, l'anomalie du champ magnétique est négligeable par rapport au champ magnétique régional. En parallèle du travail de terrain décrit précédemment, une étude plus poussée du dipôle m'a permis d'évaluer que cette approximation entraîne une erreur non négligeable pouvant atteindre 16% de l'anomalie. Cette différence se ressent aussi sur les résultats obtenus par inversion. J'ai pu de plus développer un algorithme utilisant la méthode d'Euler et réévaluer la méthode que l'on utilisait déjà auparavant, basée sur le signal analytique. Après comparaison des différentes méthodes d'inversion, cette dernière semble le mieux contraindre la cible. / Last three wars have left millions of tons of unexploded ordnance (UXO) in French subsoil. They put the population and the environment at risk. Geophysics and particularly the magnetic methods present some solutions to characterise and locate those generally magnetised objects. The multi-sensor magnetic cartography device designed at EOST has some faults. Consequently, (i) the production of a new digitizer, (ii) the acquisition of a new geo-spatial positioning system and (iii) the use of an extra sensor to correct the time-related variations of the magnetic field allow us to improve our cartography quality. Likewise, multi-altitude measurement allow us to optimise the time in relation to the wanted cartography definition. According to the approximation generally used in magnetism theory, the anomaly is insignificant compared to the regional magnetic field. At the same time as my previously described field work, a thorough study of the dipole theory, allowed me to evaluate that this approximation results in a non-negligible mistake reaching 16% of the anomaly. The inversion results are sensible to this mistake. Moreover, l've developed an algorithm based on Euler deconvolution and l've re-evaluated the method already used which is based on analytic signal. After I compared some of the inversion methods, the one based on the analytic signal seems to ascertain the better the object characteristics.

C’est dans la course au débit que de nouveaux systèmes de communications sans fil sont proposés aujourd’hui afin de répondre à cette demande. Il n’existe pas de technologie ou de standard unique pour remplacer toutes les autres technologies radio tout en satisfaisant l’ensemble des besoins de services et d’usages. Les futurs systèmes de communications devront donc permettre l’interopérabilité entre les dif- férents standards au niveau européen et mondial. L’émergence des technologies de la radio intelligente constitue aujourd’hui une solution originale et prometteuse pour répondre à ce challenge. Cependant, le déploiement de ces systèmes soulève encore de nombreux défis techniques notamment au niveau des antennes. Ces dernières doivent en particulier être capables de modifier leurs réponses en fréquences ou bien avoir une très large bande tout en minimisant la déformation des formes d’ondes. Elles doivent répondre aux besoins de cohabitation multi-systèmes et de miniaturisation. Or la miniaturisation et la largeur de bande sont limités par des contraintes physiques et les caractéristiques des matériaux les constituant. Les métamatériaux, des composites électromagnétiques artificiels, peuvent permettre la conception d’éléments rayonnants pour la radio intelligente avec un plus grand degré de liberté et à moindre coût. Cependant l’analyse de l’association des métamatériaux à des antennes ou éléments rayonnants n’est pas aisé, surtout quand les antennes prennent une forme arbitraire. Pour adresser ces challenges les techniques classiques de conception d’antennes ne sont pas suffisantes. Pour cela, nous proposons dans ce travail une approche basée sur la conception modale utilisant la théorie des modes caractéristiques. Cette approche démontre un potentiel remarquable dans la conception des antennes électriquement petites ainsi les antennes basées/inspirées des métamatériaux. En outre, l’évaluation des performances d’antennes à formes arbitraires en fonction des paramètres géométriques à été démontré sans considération d’une excitation prédéfinie. Ceci offre un énorme avantage pour les techniques basées sur l’optimisation des formes d’antennes. Finalement, une antenne très large bande dédiée au sondage du spectre est présentée. L’approche modale a été utilisée afin de garantir un diagramme du rayonnement stable sur toute la bande de fréquence ainsi qu’une bonne efficacité dans le régime électriquement petit. Plusieurs validations expérimentales sont également présentées. / The rise of wireless communication systems and the big demand of high bit rate links have entailed researches to lie over new communications systems. With this diversity of wireless systems, flexibility for operating between different standards is strongly needed. Cognitive radio (CR) consist the future system that can offer this flexibility. The new features of CRs remains many challenges to their antennas. Miniaturization, isolation and bandwidth improvement, are all real needs and effective challenges. Especially when the geometry of the antenna become more complex in order to fit the terminal chassis. The use of metamaterials (MTM) has been introduced to overcome physics limitations in order to undertake these needs. The analysis of MTM in presence of radiating elements such antennas prove to be a challenge. In this thesis, an new approach to address these challenges is proposed. It is based on a modal concept using the theory of characteristic modes (TCM). It proves to be useful to analyse and design of electrically small antenna (ESA), metamaterial-inspired antennas and metamaterial-based antennas. Furthermore, the same approach is used to evaluate the antenna performances when surrounded by complex artificial materials by proposing closed formulas for the quality factor. This remains into a huge advantage in the antenna shape optimisation in the antenna industry. As a proof of concept, an extremely-wide-band antenna for underlay CR (sensing antenna) is developed using the proposed approach in order to have stable radiation pattern an high efficiency in the electrically small regime. An experimental validation of the performances of all the presented designs is also provided.

Cette thèse concerne l'étude des transformations structurelles et magnétiques qui se produisent dans les métaux 3d quand ils sont comprimés jusqu'à des pressions extrêmes. L'étude a été réalisée en utilisant les techniques de polarisation absorption des rayons X (Dichroïsme circulaire magnétique de rayons X ou XMCD) et diffraction des rayons X couplées à les calculs DTF, et appliquée à les cas du cobalt, du nickel et des alliages de fer et cobalt (FeCo). En particulier, pour le cobalt, on présente la première preuve expérimentale de la suppression du son ferromagnétisme induite par la pression et on explore la relation entre les changements structurels et magnétique. Le cas du nickel, qui est structurellement stable sur une large gamme de pressions, permet d'aller plus loin dans l'interprétation du signal XMCD à la seuil K, encore débattue aujourd'hui. Enfin l'enquête sur les alliages FeCo vise à comprendre le rôle joué par l'ordre chimique dans les propriétés de réglage haute pression structurales et magnétiques. / This thesis concerns the study of the magnetic and structural transformations that occur in the 3d metals when they are compressed up to extreme pressures. The investigation has been carried out using polarized X-ray absorption (X-ray magnetic circular dichroism or XMCD) coupled to X-ray diffraction and DTF calculations and applied to the cases of cobalt, nickel and iron-cobalt (FeCo) alloys. In particular, in cobalt we present the first experimental evidence of pressure-induced suppression of ferromagnetism and we explore the interplay between structural and magnetic changes. The case of nickel, that is structurally stable over a wide range of pressures, allows to go deeper into the interpretation of the K-edge XMCD signal, so far still unsettled. Finally the investigation of the FeCo alloys is aimed at understanding the role played by the chemical order in tuning the high pressure structural and magnetic properties.

L'étude de cette thèse est focalisée sur la compréhension des caractéristiques du transport dans des systèmes granulaires cœur - coquille (cobalt - cobalt oxyde). Nous avons étudié le comportement magnétique et de transport de notre système granulaire ferromagnétique/antiferromagnétique. Les agrégats de cobalt de 4 nm sont fabriqués par une source à pulvérisation magnétron et condensation en phase vapeur. Lorsque les agrégats sont oxydés pendant le dépôt ils adoptent une géométrie en cœur – coquille avec un cœur icosaédrique et une coquille CoO de structure cfc. Après le dépôt, les agrégats sont caractérisés par différentes méthodes. In situ, elles sont caractérisées en fonction de la quantité déposée par le spectromètre à temps vol. Ex situ, elles sont analysées par le SQUID (mesure magnétique) et par les mesures de transport. Plusieurs caractéristiques de nos échantillons ont été mises en évidence lors de l'analyse magnétique. Trois propriétés magnétiques nous intéressent principalement. La première est le couplage d'échange F/AF, étudié sur l'ensemble des agrégats de cobalt avec différents pourcentages d'oxydation (entre 33% de CoO et 95% de CoO). Nous avons constaté que l'effet maximum est obtenu pour l'échantillon le plus oxydé à cause de l'augmentation de la coquille d'oxyde. La deuxième propriété magnétique concerne la présence d'un superparamagnétisme modifié par l'interaction d'échange entre le cœur et la coquille. La troisième est l'effet de traînage qui se manifeste le plus souvent par une diminution du décalage d'échange et du champ coercitif après plusieurs mesures successives. Ce phénomène est dû à une instabilité de la configuration magnétique obtenue lors du refroidissement sous champ mais il est cependant difficile d'identifier l'origine exacte. Les propriétés de transport de notre système sont mises en évidence par l'étude de la résistivité, de la magnétorésistance et de la résistance du Hall en fonction de la température et du champ magnétique appliqué. La variation de la résistivité avec la température présente un minimum et qu'elle varie très peu avec la température. Ce comportent est typique des systèmes transitoires, se situant entre le régime métallique et le régime isolant. La faible magnétorésistance varie très peu avec la température. Son amplitude ne dépasse pas 0.1% dans tous les alliages granulaires mesurés. Le système étudié est caractérisé par une résistivité de Hall extraordinaire positive à toutes les températures de mesure. / This study is focused on understanding the transport properties of granular systems core - shell with emphasis on cobalt - cobalt oxide materials. We studied the magnetic and transport behavior of our granular system ferromagnetic/ antiferromagnetic. The cobalt clusters of 4 nm are obtained by a magnetron sputtering source and vapor phase condensation. The clusters oxidized during deposition adopt a core – shell geometry with icosahedra core and a fcc structure of CoO shell. After deposition, the clusters are characterized by different methods. In situ, they are characterized in terms of the amount of matter deposited by time flight spectrometer. Ex situ, they are analyzed by the SQUID (magnetic measurement) and transport measurements. Several characteristics of our samples have been identified during the magnetic analyses. Three magnetic properties are mainly interest. The first is the exchange bias F/AF, studied on the cobalt clusters with different oxidation percentages (between 33%CoO and 95% of CoO). We found that the maximum effect is obtained for the the oxidized samples due to the increased oxide shell size. The second magnetic property is the presence of superparamagnetism modified by the exchange interaction between the core and the shell. The third is the training effect shown often by a decrease in the exchange bias and coercive field after several successive measurements. This might be attributed to the instability of the magnetic configuration obtained upon cooling under a field, but it is difficult to identify the exact origin. The transport properties of our system are underlined by the study of the resistivity, magnetoresistance and Hall resistance as a function of temperature and applied magnetic field. The variation of resistivity with temperature shows a minimum. In the same time this variation is small as a function of the temperature. This behavior is associated with the transition systems which are found between the metallic and insulator regime. The variation of the magnetoresistance with temperature is small. Its amplitude does not exceed 0.1% in all granular alloys measured. The studied system is characterized by a positive extraordinary Hall resistivity at all temperatures of measurement.

Un magnétomètre microSQUID basse température couplé à une antenne micro-onde a été utilisé pour sonder la dynamique du retournement assisté de l'aimantation d'une nanoparticule ferromagnétique. Grâce au développement d'une technique de mesure originale, basée notamment sur le contrôle de l'amplitude et de la phase du champ micro-onde, nous avons pu mettre en évidence les bassins d'attraction liés aux modes de précession présents dans la dynamique de l'aimantation. Il devient possible de contrôler le retournement de l'aimantation selon que l'amplitude et la phase du champ AC sont judicieusement choisis dans l'un ou l'autre des bassins d'attraction. Nous avons pu mettre en évidence un fait contre-intuitif où le retournement est bloqué par une phase "mal" choisie alors que l'amplitude est largement suffisante pour retourner le système avec une autre phase. De plus, nous avons pu utiliser la sensibilité des bassins d'attraction aux paramètres gouvernant la dynamique de l'aimantation pour déterminer expérimentalement une valeur de la constante d'amortissement de Gilbert α. C'est d'ailleurs la première mesure de la constante d'amortissement sur une nanoparticule unique. / A low temperature microSQUID magnetometer coupled to a microwave antenna was used to probe the assisted switching of the magnetization of a ferromagnetic nanoparticle. Using an original measurement protocol based on the control of the microwave amplitude and phase, we studied the basins of attraction of the precessional modes of the magnetization dynamics. The switching of the magnetization can thus be controlled by choosing an amplitude and phase in one particular basin. In particular, we evidenced the counter intuitive fact that the magnetization switching can be prevented by choosing a “wrong” phase, even though the amplitude is high enough to switch the system with another phase. Moreover, we used the basin's sensitivity to the parameters governing the magnetization dynamics to determine a value for the Gilbert's damping constant α. This is the first measurement of the damping constant on an individual nanoparticle.